摘要：針對現有基於GPS訊號的室內定位輔助裝置，無法精確地調製與放大GPS訊號等問題，該文設計一種塔型室內定位系統，主要包括訊號接收機、訊號處理機、偽定點基站輔助裝置、訊號發射機等，該系統能夠實時接收GPS訊號並計算出偽距誤差，從而進一步計算出更精確的定位導航位置，並透過發射機實現GPS訊號在室內的分佈擴散。
關鍵詞： GPS 偽衛星 定位導航 室內定位
GPS是GlobalPositioningSystem（全球定位系統）的簡稱，主要應用於平面定位導航模式，由全球覆蓋率高達98%的24顆GPS衛星組成。但是受天氣、建築物、噪聲等因素的干擾，GPS訊號在傳輸過程中經常會發生一些不可控的偏差，精度也受到影響[1,2,3]。在大部分城市樓房建築內，GPS訊號很難在室內進行分佈擴散，強度也會大大減弱，甚至消失。目前市場上的多數導航軟體均是基於GPS訊號進行定位的，但是現有的GPS定位裝置只能用於室外定位，比如常見的車載導航[4,5,6]。
傳統的GPS偽衛星定位方法解決了部分室內裝置無法接收衛星導航訊號的問題[7,8,9]。這類系統多數是基於差分GPS定位方法，主要包括一個位置已知的固定監測站，它實時接收GPS訊號並確定出偽距誤差，把此誤差作為“改正數”提供給使用者，然後使用者透過智慧裝置將此偽距差修正，從而得到測得的偽距，這樣採用適當的裝置就能使監測站附近幾百公里範圍內的定位精度提高到5m左右[10,11]。但是，其使用者介面少、設定空間小，在室內環境下導航衛星訊號失效時往往無法進行單獨組網定位。因此，目前來講，還沒有與偽衛星技術結合的很好的室內定位裝置。
1、塔型室內定位輔助裝置的外觀設計
基於GPS訊號的塔型室內定位輔助裝置主要包括塔形儀器箱和三角形穩定支架，其中塔形儀器箱由GPS訊號接收機、訊號處理主機、偽衛星輔助矯正裝置及訊號發射機組成。如圖1所示，其相關引數如圖2所示。
圖1塔型室內定位輔助裝置外觀圖
1-塔形儀器箱；2-GPS訊號接收機；3-訊號發射機；4-訊號處理主機；5-偽衛星輔助矯正裝置；6-外接主控螢幕；7-三角形穩定支架
圖2塔型室內定位輔助裝置俯檢視
其中，GPS訊號接收機包括主反射器、副反射器和輻射源。主反射器為旋轉拋物面，副反射器為旋轉雙曲面，旋轉雙曲面的一個焦點與拋物面的焦點重合，雙曲面的焦軸與拋物面的焦軸重合。輻射源及饋源位於第一圓柱體連線體內部，輻射源是由副反射器對輻射源發出的電磁波進行的一次反射，將電磁波反射到主反射器上，然後再經主反射器反射後獲得相應方向的平面波波束，實現定向發射。
訊號處理主機包括變頻器、訊號通道、儲存器、電源、主控螢幕等。偽衛星輔助矯正裝置包括偽衛星單元、矯正單元與輔助裝置等。訊號發射機包括髮射單元、訊號分析裝置以及智慧裝置介面第一通孔，發射單元設定在訊號發射機的內建圓柱體內，訊號分析裝置設定在訊號發射器的內建長方體內。
2、系統工作原理
2.1總體工作原理
塔型室內定位輔助裝置在工作時，首先是GPS訊號接收機在室外接收衛星發射的GPS訊號，並將訊號傳入第一放大單元進行放大，將極微弱的電磁波訊號轉化為相應的電流訊號。然後經處理主機單元對放大的訊號進行綜合處理，並與偽定點基站輔助裝置進行資料互動，同時對訊號進行抗干擾、跳頻處理等。最後，再經第二放大單元，將訊號進行解調、發射和擴散，系統工作原理簡圖如圖3所示。
圖3系統工作原理簡圖
2.2訊號接收
GPS訊號接收機位於室外，主要包括天線、接收主機和電源等。天線主體為卡塞格倫反射面天線，主反射器為拋物錐面，副反射器為雙曲錐面。饋源為後置饋源，能夠縮短饋線長度，減少傳輸線帶來的噪聲。前置放大器和後置饋源一同密封安裝，天線與前置放大器密封為一體，以保障其正常工作，減少訊號損失。卡塞格倫反射面天線的離心率越小，放大率越大，在此選擇放大率M>3。接收主機主要包括變頻器、中頻接收放大器、訊號通道、儲存器、微處理器和顯示器等。其主要實現對訊號變頻、解擴、解調，以得到相應的導航電文。其中接收機主機中的變頻器和中頻放大器能使接收機通道得到穩定的高增益，並且使L頻段的射頻訊號變成低頻訊號。
2.3訊號處理
在處理接收機輸出的低頻訊號時，利用C/A碼發生器和P碼發生器完成對低頻訊號解擴與解調處理，得到多組導航電文D碼偽碼測量資料、載波相位測量資料等[12,13,14,15]。並實時計算出GPS訊號從衛星到接收天線的時間，以及監測站的三維位置、三維速度和時間等。並將上述資料存入GPS接收機主機的儲存器中，同時將處理後的資料顯示在顯示屏，實現對資料的觀察和控制。處理主機單元對經過一次放大的訊號進行綜合處理，並與偽定點基站輔助裝置進行資料互動，二者組成一個偽衛星矯正系統。其中，偽定點基站輔助裝置具有3個偽基準站點，相互之間角度差為120°，以處理主機單元為中心，圍繞其周圍均勻分佈。偽基準站點與處理主機單元之間的直線距離可調整，最大伸縮長度為5米，且可繞中心放置，以此來捕獲不同點位的訊號，從而實現對GPS訊號的測量與矯正。
2.3.1跳頻處理
在跳頻處理單元，採用混合擴頻技術，即直序擴頻、跳頻擴頻、跳時擴頻及線性調製等。主要運用直序擴頻技術和跳頻擴頻技術。對於直序擴頻技術，同步的資料訊號可能是位元或是二進位制通道編碼符號，以模2加的運算方式形成碼片，然後再進行相移調製。收到的單使用者擴頻訊號可以表示為：
其中，m(t）是資料序列；p(t）是PN（偽噪聲序列）擴頻序列。
數字資訊與二進位制偽碼序列進行模2相加運算後，離散地控制射頻載波振盪器的輸出頻率，使發射訊號的頻率隨偽碼的變化而跳變，在傳輸至接收單元的過程中，假設接收單元已經達到同步，接收到的訊號透過寬頻濾波器，然後與本地產生的PN序列p(t）相乘。經乘法運算得到解擴訊號：
由於S1(t）是BPSK((BinaryPhaseShiftKeying，即二進位制相移鍵控）訊號，相應地可以解調出資料序列m(t），從而透過擴頻來增強系統的抗干擾能力。
2.3.2GPS精度因子處理
GPS精度因子主要分為位置精度因子（PDOP）、鐘差精度因子（TDOP）和幾何精度因子（GDOP），三者的關係為：
對以上編碼進行解算並提高其靈敏度，提高實靈敏度的關鍵是在第一級的LNA（低噪聲放大器）和輸入匹配電路的設計，為此把接收到的訊號功率再細化的分為幾個部分：
可得實際上對系統有效解碼的訊號是Psig＿LNA，因此提高靈敏度的途徑為：降低從天線訊號功率的衰減因子，降低LNA輸入系統的反射功率。
因此，處理主機單元與偽定點基站輔助裝置的多個偽基準站點進行資料互動時，形成新的偽衛星矯正系統，由於新的系統呈分散式，且有多個偽基準站點（3個）。因此，生成新的GPS訊號過程中，減小了從天線訊號功率的衰減因子，降低了LNA輸入系統的反射功率。
2.4訊號發射
在訊號透過發射機進行發射與擴散時，要保證其不影響室內固有裝置的效能，透過Lambert-Beer定律，可行訊號穿透深度為：
其中，I0/It稱為透光率；c為吸光物質的濃度，單位為mol/L;b為吸收層厚度；K為摩爾吸光係數，指波長一定時，溶液的濃度為1mol/L，光程為1cm時的吸光度值。它與吸收物質的性質及入射光的波長λ有關，實驗表明，光的波長不同，其吸光係數也不同。對於無線電訊號來講，波長越小，吸光係數越大。因此，隨著訊號波長的減小（即更高頻的訊號），其衰減常數變得更大，並且穿透深度減小。所以我們透過降低訊號的頻率，增加了訊號的波長，從而使訊號的穿透能力提升，進而實現GPS訊號在室內的傳輸與擴散分佈。
3、結語
在完成系統設計的基礎上，我們利用實體裝置搭建了簡易系統，並利用現在GPS終端在室內進行了測量，在6層以下建築物內，訊號基本可以在室內擴散分佈，達到與室內同等定位精度。但是在高層建築內（7層以上），目前的裝置訊號還不夠穩定，不能夠實現訊號在室內的擴散分佈，下步需要對該系統裝置進一步改進完善，提高其訊號放大和穿透效能，真正實現室內室外同步定位。
